1、譜儀放大器中的基線恢復(fù)器 開關(guān)型基線恢復(fù)器電路 專業(yè)：核技術(shù)及應(yīng)用 學(xué)號：2007020516 試講人：張子良參考資料核輻射探測器與核電子學(xué) 成都理工大學(xué) 賴萬昌編著核電子學(xué) 原子能出版社 王經(jīng)瑾等編著模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 康華光編著放大器常用類型：譜儀放大器：用于核輻射能譜儀中信號放大，一般在前置放大器之后，稱之為主放大器快放大器：用于時間測量或高計數(shù)率條件下信號放大弱電流放大器：用于強(qiáng)度測量中計數(shù)積累效應(yīng)產(chǎn)生電信號的放大放大器在核測量系統(tǒng)中的作用 前置放大器的功能是解決和探測器的配合以及對探測器信號進(jìn)行初步放大和處理，但是前置放大器輸出的脈沖幅度和波形并不適合后面分析測量設(shè)備如

2、單道分析器和多道分析器等，所以對信號還需要進(jìn)一步放大和成形，在放大和成形的過程中必須嚴(yán)格保持探測器輸出的有用信息如射線的能量信息和時間信息，盡可能減少它們的失真，這樣一個放大和成形任務(wù)由主放大器來完成。 其在測量系統(tǒng)中的具體位置如下圖所示：放大器在測量系統(tǒng)中的位置 前放 放大器 探測器分析測量儀器高壓輻射源譜儀放大器的原理方框圖譜儀放大器的基本功能放大來自前置放大器輸出的信號，使其達(dá)到分析測量系統(tǒng)所要求的幅度范圍。成形與濾波。用來盡可能減少譜形畸變和提高能量分辨。這包括提高信噪比、減少堆積和基線漲落、減小徑跡虧損和提高抗幅度過載能力等方面，以滿足物理實驗的需要。 放大器基本參量增益及穩(wěn)定性線性

3、噪聲及信號噪聲比幅度過載特性計數(shù)率過載特性上升時間輸入阻抗和輸出阻抗 放大器的增益及穩(wěn)定性放大器增益 定義當(dāng)輸入足夠?qū)挼木匦蚊}沖或階躍電壓時，輸出信號與輸入信號幅度之比為放大器的增益或放大倍數(shù)。 放大器的放大倍數(shù)取決于放大器輸出幅值和后續(xù)分析測量設(shè)備所要求的信號大小，從前置放大器輸出信號的幅度范圍從毫伏到伏數(shù)量級，而模數(shù)變換系統(tǒng)要求輸入幅度達(dá)5伏或10伏范圍，因此對譜儀放大器的增益要求為幾千倍到幾倍，并要求可調(diào)。 放大器增益穩(wěn)定性 放大器的增益穩(wěn)定性是放大器在連續(xù)使用的時間內(nèi)由于環(huán)境溫度的變化，電源變化等因素導(dǎo)致放大器放大倍數(shù)的不穩(wěn)定程度。其結(jié)果是使測量到的能譜產(chǎn)生畸變，實驗結(jié)果誤差增大。 高

4、分辨譜儀系統(tǒng)在環(huán)境變化或長時間工作時一般要求增益相對穩(wěn)定性 為0.1%或更小，增益的溫度系數(shù) 在0.01%C左右。 當(dāng)電源變化1%時，增益變化應(yīng)小于0.05%. 提高增益穩(wěn)定性主要采用深度負(fù)反饋方法，使開環(huán)增益與反饋系數(shù)之積 很大，負(fù)反饋愈深即 愈大，增益的穩(wěn)定性也就愈好。 back積分非線性（INL）定義放大器的積分非線性為 表示在輸出從0到范圍內(nèi)實驗點與擬合直線之間的差值最大值。 為最大輸出額定信號幅度。 積分非線性直接影響到能量刻度誤差及使峰位發(fā)生偏移。微分非線性（DNL）定義放大器的積分非線性為 是指實際測量到的放大器 輸出 特性曲線上某處的斜率，也就是放大器的放大倍數(shù)。 微分非線性給

5、出了放大器在不同的輸出幅度時放大倍數(shù)的變化，由于存在微分非線性，會使能譜產(chǎn)生畸變。 放大器噪聲和信噪比放大器輸出信息由信號，噪聲和干擾組成。干擾信號是外部的，可以通過各種方法減到最小。噪聲是由前置放大器輸出噪聲和放大器輸入端自身的噪聲所決定的，一般放大器輸入端的噪聲只要比前置放大器輸入端的噪聲小一個量級就可以滿足要求。由于核輻射探測器輸出信號較小，噪聲疊加在有用信號上，使能 量分辨率變壞(前置放大器的噪聲功率譜密度為 ) ，因此在放大器內(nèi)部采用合適的濾波成形電路來限制頻帶，就能抑制噪聲。 back計數(shù)率過載特性在能譜測量中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號脈沖的計數(shù)率從小到大變化時，所測得的能譜也會發(fā)生變化。計

6、數(shù)率增高會引起基線漲落和偏移，造成譜線展寬和位移。 當(dāng)計數(shù)率很低時，隨著計數(shù)率的改變，能譜變化很小，可以忽略； 當(dāng)計數(shù)率越大時，譜線發(fā)生的變化就愈嚴(yán)重； 在高計數(shù)率條件下，由于信號堆積造成了譜線嚴(yán)重的畸變，反映測量結(jié)果中，譜峰展寬，峰的位置發(fā)生偏移，甚至出現(xiàn)假峰。在放大器中，由于計數(shù)率過高引起的脈沖幅度分布的畸變稱為放大器的計數(shù)率過載。定義放大器的最高計數(shù)率為使譜線峰位移動1位置時的計數(shù)率。計數(shù)率過載性能改善。在放大器內(nèi)部加入適當(dāng)?shù)貫V波成形電路如微分電路可以使輸出脈沖變窄，極零相消電路可以消除脈沖的下沖。為克服高技術(shù)率引起的能譜畸變，譜儀放大器中引入了基線恢復(fù)電路和堆積拒絕電路。 back放大

7、器的上升時間探測器輸出的信號通常有快的前沿和緩慢下降的后沿，上升時間主要對信號的前沿而言的。 放大器的上升時間過大，會使輸入信號產(chǎn)生畸變，結(jié)果信號幅度變小了； 放大器的上升時間非常小，則使電路變得很復(fù)雜，同時增加了電路本身的噪聲。放大器輸出信號的性能改裝，取決于成形濾波電路，所以放大節(jié)上升時間必須比成形濾波電路的上升時間要小得多。上升時間和頻帶的關(guān)系為： 快的上升時間相應(yīng)有寬 的頻帶，采用負(fù)反饋使提高放大節(jié)上升時間很有效的方法。當(dāng)輸出端分布電容很大時，由于輸出端分部電容不參加負(fù)反饋，電壓負(fù)反饋只能降低阻抗 ，不能減小輸出端分部電容這時上升時間為 ， 為輸出阻抗。 基本放大節(jié)定義：一個譜儀放大器

8、一般由若干個負(fù)反饋放大單元串接組成，每個放大單元稱為一個放大節(jié)。不采用一個大的放大單元而采用若干放大節(jié)串接的原因： 譜儀放大器除了放大信號之外還要完成濾波成形的功能，需要若干級微分和積分電路，這些電路之間一般要求有隔離節(jié)； 同時由于一個大的放大單元內(nèi)，加以深度負(fù)反饋時很容易引起振蕩。放大節(jié)組成：通常是由一個高增益的運算放大器（由分立元件或者集成電路組成）和一個反饋網(wǎng)絡(luò)組成。實際上放大器很多指標(biāo)在很大程度上取決于單元放大節(jié)的指標(biāo)的優(yōu)劣。放大節(jié)在頻帶上的要求：內(nèi)部參數(shù)不會影響濾波器的時間參數(shù)。 由于一個放大節(jié)內(nèi)總是直流耦合，因而不會影響微分和積分時間常數(shù)，但是如果高頻特性較差，也就是說上升時間較大

9、時，相當(dāng)于加一個RC積分電路，這就使濾波器的時間參數(shù)受放大節(jié)內(nèi)部性能的影響，這樣會難于調(diào)節(jié)時間常數(shù)，也易引起濾波性能不穩(wěn)定。為了避免這種情況發(fā)生，要求整體放大器總的上升時間不大于0.1ms。如果譜儀放大器由幾節(jié)組成，則每節(jié)上升時間應(yīng)小于，相當(dāng)于帶寬為10MHZ。對每節(jié)開環(huán)增益要求在100倍以上，閉環(huán)增益在510倍，穩(wěn)定性優(yōu)于0.1%。 FH1002A譜儀放大器輸入節(jié)工作原理 上圖為譜儀放大器輸入節(jié)簡化電路，它是一個差分-共基-共集組態(tài)并聯(lián)負(fù)反饋放大單元。 第一級采用差分放大，有利于抑制干擾；而在FH1002A的其它節(jié)中，第一級用共射放大器代替差分放大器。第一級采用差分放大器另一個好處可以方便進(jìn)

10、行極性轉(zhuǎn)換，開關(guān)K2可控制輸入信號加入到同相端或反相端，由此來完成正負(fù)極性轉(zhuǎn)換。 第二級采用共基電路是為了減小第一級輸入端由于米勒效應(yīng)引起的輸入電容增加，是提高頻帶的一個措施。 第三級為一互補(bǔ)式射隨器，有較大動態(tài)輸出范圍，第二級的集電極負(fù)載采用了第三級輸出端的自舉正反饋，以提高其負(fù)載阻抗，增加開環(huán)增益，此放大節(jié)開環(huán)增益在1000倍以上，閉環(huán)增益為7倍。 其原理圖共有5個放大節(jié)組成，包括有下列幾部分： 輸入節(jié)（包括極性轉(zhuǎn)換極，零相消電路）； 放大節(jié)（增益可粗調(diào)）； 積分電路（二次有源積分和二次無源積分）。 因而它是一個準(zhǔn)高斯型濾波電路。圖中類似于上圖中的放大節(jié)，差別在于輸入級采用共射放大器而不是

11、差分放大器；最后三節(jié)直流耦合，再用直流負(fù)反饋來穩(wěn)定其工作點；圖中用來選擇輸入電阻，分別為50W和560.2W（正輸入時為940W）；為極性選擇開關(guān)。用作微分時間常數(shù)選擇，進(jìn)行極零相消調(diào)節(jié)，用作放大倍數(shù)粗調(diào)，為放大倍數(shù)粗調(diào)，用作積分時間選擇，放大器全部元件組裝在一個雙插寬插件上。注：1）與各分七檔，圖中僅畫出時間常數(shù)最小的兩檔； 2）與同調(diào)（增益粗調(diào)）； 3）為增益細(xì)調(diào)電位器。幾種時變和非線性電路 基線恢復(fù)器邏輯展寬器模擬展寬器線性門我們都知道，濾波器既具有一定的頻率響應(yīng)，就必然具有一定的沖擊響應(yīng)。因而在時域里，濾波器能使輸出信號有一定的波形，這個稱為信號的成形。核能譜測量的要求：成行電路具有一

12、定的頻率響應(yīng)和沖擊響應(yīng)，幅度信息可能發(fā)生畸變，從而使能量分辨率變壞。尾部：系統(tǒng)中存在隔直流電路等大時間常數(shù)電路時，沖擊響應(yīng)具有緩慢的恢復(fù)。尾部堆積會引起明顯的基線偏移。那么基線基線恢復(fù)器就是消除基線偏移和漲落，改善能量分辨率基線恢復(fù)原理 基線偏移現(xiàn)象堆積存在使信號的基線發(fā)生漲落無尾堆積的系列脈沖通過CR網(wǎng)絡(luò)時 由于電容器上電荷在放電時間內(nèi)，未能把充電的電荷放光，那么在下一個脈沖到達(dá)時，電容器上的剩余電荷將引起這個新出現(xiàn)脈沖的基線偏移。結(jié)果使能譜峰位移動及能量分辨率變壞，在高計數(shù)率時尤為突出脈沖寬度越窄引起的基線偏移也越小，微分電路可以明顯改善基線的偏移?；€恢復(fù)原理 基線恢復(fù)原理 設(shè)想有一種元

13、件或電路，能跟蹤基線的變化，在信號到達(dá)之前，隨時隨地記錄當(dāng)前的基線電平，一旦信號到達(dá)，它能完成該信號（包括基線電平）減去信號到達(dá)前瞬間的基線電平的功能，從而得到真正的信號電平，這就是基線恢復(fù)器的基本原理。理想基線恢復(fù)器 電容作為基線電平記憶元件，信號未到達(dá)時，開關(guān)S閉合，等于基線電平 。一旦信號加入，信號通過控制器使S打開，因為 為基線電平， 為信號，則 實際上這種理想基線恢復(fù)電路是很難實現(xiàn)的，通常采用一些較簡單辦法來近似模擬這一理想系統(tǒng)，其基本原則是：信號出現(xiàn)之前電容能盡可能跟蹤基線電平；當(dāng)信號一出現(xiàn)，保持不變。 backCD基線恢復(fù)器最簡單的基線恢復(fù)器是由電容和二極管構(gòu)成，二極管D近似起到

14、開關(guān)S的作用，D的導(dǎo)通或截止取決于V2 的正或負(fù)。此電路對于單極性正輸入信號，其基線電平為負(fù)值，具有一定基線恢復(fù)功能，它使二極管D起到開關(guān)的作用，對于負(fù)信號，就起不到基線恢復(fù)作用。 實際上二極管D不是理想開關(guān)，導(dǎo)通時存在一定正向電阻，而截止時存在有限的阻抗值，為了進(jìn)一步減小正向電阻，可采用如圖所示的有源CD基線恢復(fù)器。把二極管作為運算放大器反饋元件，使D的等效正向電阻為 ，而反向電阻仍為 。 backCDD基線恢復(fù)器CD基線恢復(fù)器的缺點： 它只適應(yīng)單極性信號，若信號存在下沖，下沖過后基線恢復(fù)器的速度很慢（以 時間常數(shù)恢復(fù)）； 基線迅速上升時，（即基線變化速率較大時）由于 時間常數(shù)不是十分小，因

15、而C上電壓跟不上基線變化，造成在一段時間內(nèi)輸出電壓 還會疊加上一定基線電平，因而在基線變化速率不大時才能比較好地發(fā)揮作用。 無源CDD恢復(fù)電路無源CDD基線恢復(fù)電路： 針對CD基線恢復(fù)器的只適應(yīng)單極性缺點，提出了CDD基線恢復(fù)器（又稱羅賓遜基線恢復(fù)器），其原理見圖。V1=Vs+VbV2=V1-Vc當(dāng) Vc=Vb ，_ V2=Vs 電路工作原理在 時， 、 均勻?qū)?，并平均地分別流過I2 電流，流過C的電流為0，Vc保持不變。一旦輸 入端基線發(fā)生變動，例如Vb上升，就會使V2 上升，導(dǎo)致 D1 截止，輸入端對C充電，充電電流為I2 ，Vc的上升速率為I2/C ，充電到Vc =Vb為止。 基線被記

16、憶在電容器C上面。反之 V1 的基線下降，引起V2 下降，導(dǎo)致 D2 截止，電流源對電容器C以I2 大小的電流進(jìn)行反向充電，也就是電容器C向輸入端放電，放電速率也為I2 /C ，直到C上電壓Vc =Vb 的基線電平相等時為止。因此無論的基線向任何方向變動，經(jīng)過 時間，就可使輸出電平為零電路工作原理它與理想的基線恢復(fù)器差別在于:記憶住基線電平所需時間不是零而時間 。對于信號（例如是正信號），在信號持續(xù)期間內(nèi)，對電容器C也要進(jìn)行充電，在電容器上建立電壓為 DV=TwI2/C ，其中 為信號寬度。這與理想基線恢復(fù)器也存在一定差別（理想情況下），輸出信號平頂有一定下降。信號一結(jié)束，在 時間內(nèi)將充在電容

17、上的電荷放掉。輸出端恢復(fù)到零電平。波形分析上圖為在基線電平緩慢變化和快速變化兩種情況下V1、Vc和V2上波形示意圖。 從此圖中可以看出，基線電平緩慢變化時，電容器C上電壓基本上跟蹤著基線電平變化，因而輸出端V2(t)基線保持在零電平，而信號平頂有Vc的下降，信號結(jié)束后拖有寬度為Tw的反向尾部； 但是如果基線電平突變時，對應(yīng)在突變處會出現(xiàn)一個正或負(fù)的脈沖，只要基線電平的變化速度dVb/dt 1，以加大在恢復(fù)時間內(nèi)流過電容器C的電流。在有信號時以I1充電，信號消失后以（K1）I2/C的放電速度恢復(fù)到原來的基線，這樣可以使在信號間隔接近它的寬度時，也不會發(fā)生基線的偏移。由于電路的不對稱性，它只適用于一種極性的輸入信號，輸入信號還要通過極零相消電路消除信號的反向下沖，否則由于反向下沖的存在，它可能產(chǎn)生假脈沖而恢復(fù)到原來基線的時間也較長。 back開關(guān)型基線恢復(fù)器 其原理如右圖所示。信號未加入時，S閉合，V1基線慢變化對C充電，充電電流為I，速度為I/C，取I足夠大值，使C上電壓能來得及跟上V1基線慢的變化。一旦信號輸入，觸發(fā)控制器，使S斷開，充電電流為I1，取I1I，因此在信號持續(xù)時間Tw內(nèi)C上電壓變化甚小，不產(chǎn)生幅度損失。一旦信號結(jié)束，S又閉合，在信號持續(xù)時間內(nèi)電荷迅速泄放